家庭火灾报警装置的设计毕业设计

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1、摘 要当今社会，科技日新月异，生活水平逐步提高，电子产品成为我们生活不可缺少的一部分。但是，任何东西都是一把双刃剑；在给我们带来无穷快乐时候，同样蕴含着痛苦；再给我们带来安全的同时，同样掩藏着危险。电子产品的丰富种类，同样引起了各种火灾的产生，我们要本着“防患于未然”的心态，将之扼杀在萌芽当中。不断地创新、完善家庭火灾报警装置系统，使得它成为我们日常生活中安全可靠的安全管家。 本文采用了目前较为先进的气体传感器（复合（烟、光、热）传感器）、温度传感器、MCS-51单片机以及LED灯构成的完整综合系统，不仅能够很好的实现声音与的灯光的综合报警提示，同样还可以很好的给用户展现出起实时数据，让人们了

2、解当前的事故程度，并添设有限时、延时报警等特点。能做到给予用户最大速度的报警提示与安全保障。同时，还详细介绍组成各部分的功能以及硬件设备电路设计。关键词：火灾报警 MCS-51单片机 传感器 安全 电路AbstractIn todays society, rapid progress in science and technology, living standard gradually improve, electronic products become an indispensable part of our life. However, everything is a double-e

3、dged sword; When bring us infinite happiness, also contains the pain; Give us security at the same time, also masks a danger. Rich kinds of electronic products, also caused the production of various kinds of fire, we should in line with the attitude of nip in the bud, will be killed in the bud. Cons

4、tant innovation, perfect the family fire alarm system, makes it a safe and reliable safety in our daily life.This article adopted at present more advanced gas sensor () smoke sensor, temperature sensor, MCS - 51 single chip microcomputer and leds constitute a complete integrated system, not only can

5、 achieve a good sound and the lights of the integrated alarm prompt, also can be a good real-time data display to users, let people understand the current degree of accident, and adding co., LTD., delayed alarm, etc. Can give maximum speed alarm, the user and security. At the same time, also detaile

6、d introduction of the function and hardware circuit design of each part.KEY WORDS ：Fire alarm MCS-51microcomputer The sensor security circuit目 录第一章 绪言1第一节 传感器的发展1第二节 单片机的发展1第三节 制作意义及背景1第二章 系统总体方案的设计3第一节 系统总体框图3第二节 系统配件的选择4第三章 系统的硬件电路设计7第一节 电源电路7第二节 单片机时钟和复位电路8第三节 A/D转换电路8第四节 其他系统硬件电路9第四章 系统的软件设计13第一

7、节 主程序设计与流程图13第二节 主程序初始化设计14第三节 其他程序设计14结 论18致 谢19参考文献20第一章 绪言第一节 传感器的发展现代科技水平的不断发展，为传感与测试技术的提高创造了物质条件；反之，拥有高水平的传感与测试技术又会催促新科技成果的不断出现。这两者之间，相辅相成。大致进行归纳，传感与测试技术有以下几个方面的发展。第二节 单片机的发展自从1974年12月美国Fairchild公司研制出世界上第一台单片机F8以来，单片机迅速发展，各种新型、高性能单片机不断推陈出新。迄今为止，单片机经历了四个发展阶段:单片机的初级阶段（19741978）,单片机的完善阶段（19781983）

8、,单片机的巩固与推新阶段（19831990）,单片机全面发展阶段（1990到至今）。第三节 制作意义及背景一、选题背景及意义严峻的事实证明，随着社会和经济的发展，社会财富日益增加，火灾给人类和社会和自然造成的危害范围不断扩大，它不仅毁坏物质财产，造成社会秩序的混乱，还直接威胁生命安全，给人们的心灵造成极大的伤害。残酷的现实让人们逐渐认识到监控预警和消防工作的重要性，良好的监控系统和及时的报警机制可以大大降低人员的伤亡，为社会减少不必要的损失。而同时，随着电子产品在人类生活中的使用越来越广泛，由此引起的火灾也越来越多，在我们生活的四周到处潜伏着火灾隐患。智能化火灾报警系统已并非传统意义上的简单的

9、报警设备，而是融入了计算机技术、电子技术、自动控制技术、传感器的应用等各领域知识。伴随着科学技术的不断进步，火灾报警系统必将得到更快的发展。火灾自动报警系统能够及时将火灾迹象通知用户及有关管理人员，以便他们疏散或组织灭火，延长了建筑物可供疏散人群的时间并通过联动系统启动其他消防设施。所以，设计一种能够在火灾刚刚发生时或者有可燃气体堆积引起的火灾隐患时就能报警的报警器，就能使人们能够及时发现火灾，并及时采取有效措施，扑灭初期火灾，最大限度的减少或消除因火灾造成的生命危害和财产的损失，是人们同火灾做斗争的有力工具。二、火灾报警系统的类型根据火灾报警系统中所使用的探测器种类的不同，火灾报警系统可以分

10、为以下四种：（1）感温型火灾报警系统（2）感烟型火灾报警系统（3）感光型火灾报警系统（4）复合型火灾报警系统三、火灾探测的原理火灾发生时，必然会伴随着产生复合（烟、光、热）、高温和火光，探测器对这些都很敏感。当有复合（烟、光、热）、高温、火光产生的时候，它就改变平时的正常状态，引起电流、电压或机械部分发生变化或位移，再通过放大、传输等过程发出警报声，有的还能同时发出灯光信号并显示发生火灾的部位、地点。火灾探测器主要分感烟、感温、光辐射三大类：（1）感烟探测器。（2）感温探测器。（3）光辐射探测器。第二章 系统总体方案的设计第一节 系统总体框图一、系统概述本文采用气体传感器、温度传感器、MCS-

11、51单片机以及LED显示灯模块设计了一种智能火灾报警器，可以实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能。是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的火灾报警器，具有一定的实用价值。LED灯 MCS-51 单片机放大电路A/D转换传感器蜂鸣器数码管字符显示按钮串口通信图2.1 系统模块图二、原理概述该系统的工作由复合（烟、光、热）信号采集及放大电路将采集到的复合（烟、光、热）浓度信息转化为放大的模拟电信号。模数转换电路再将该模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。单片机对该数字信号进行处理，并对处理后的数据进行分析。当输入A/D转换器的放

12、大信号不为零时，启动报警电路。反之则为正常工作状态。设计中为了方便检测与监控，使仪器测试人员及用户能够间接知道环境中的复合（烟、光、热）浓度，所以用数码管显示字符来指示报警状态。系统采用蜂鸣器声音报警和LED闪烁状态作为警报信号。这种报警方法是在声音报警基础上，加入光闪报警。因为变化的光信号可以引起用户和家庭邻居的注意，弥补了在嘈杂环境中声音报警的局限，使得报警装置更加完善。如果需要，在报警启动的同时，还可以在串口通信处，用单片机控制器控制调节阀喷水灭火和换气扇排烟等动作。系统留有继电器接口，使单片机能够控制换气风扇和调节阀的工作状态，让系统在报警的同时自动启动相关安全装置。另外由于复合（烟、

13、光、热）传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反应越快，响应时间和恢复时间就越快。为提高响应时间，保证传感器准确地、稳定地工作，报警器需要向复合（烟、光、热）传感器持续输出一个5V的电压。为了保证其可靠性，在输出5V的电压的同时，进行故障监测。当传感器加热丝或电缆线和传感器断线或接触不良时，进行故障报警。以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。第二节 系统配件的选择一、传感器的选择复合（烟、光、热）传感器是测量装置和控制系统的首要环节。而复合（烟、光、热）报警器的信号采集由复合（烟、光、热）传感器负责。复合（烟、光、热）传感器能够将气体的种类及其浓度有关的信息转换为电信号，根据这些电

14、信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在的情况有关的信息，从而达到检测、监控、报警的功能。可以说，没有精确可靠的传感器，就没有精确可靠的自动检测、控制和报警系统。复合（烟、光、热）传感器作为报警器中不可缺少的核心器件，它决定了所采集的复合（烟、光、热）浓度信号的准确性和可靠性。根据报警器检测复合（烟、光、热）种类的不同要求，很多场合都会选择使用半导体复合（烟、光、热）传感器。经过对比众多复合（烟、光、热）传感器的应用特性，发现半导体复合（烟、光、热）传感器的优点更加突出。半导体复合（烟、光、热）传感器具有灵敏度高、响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，且不会发生探头阻缓及中毒现

15、象，维护成本较低，因而得到广泛应用。因此，本设计中的传感器选用QM-N5半导体气体传感器。QM-N5的技术指标表2.1 传感器参数表加热电压（Vh） AC或DC 50.2V 回路电压（Vc）负载电阴（Rl）清洁空气中电阻 （Ra） 灵敏度（S=Ra/Rdg）响应时间(trec)恢复时间(trec)最大DC 24V2K2000 K4(在1000ppmC4H10中)10S30S0.7W图1.2二、单片机的选择MCS-51系列单片机的典型产品为8031、8751、8051。8031无内部程序存储器ROM，必须外接EPROM程序存储器；8751内部有4KB用户可编程的EPROM；8051内部有4KB工

16、厂掩膜编程的程序存储器ROM，除此之外，其内部结构完全相同。振荡器和时序OSC程序存储器4KB ROM数据存储器265B RAM定时/计数器 2个16位8051 CPU外部时钟外部时钟64KB总线扩展控制器并行I/O接口4个串行I/O内中断外中断控制P0P1P2P3串行输入串行输出内部总线图2.2 单片机内部构造MCS-51单片机的并行I/O口a、 PO口：PO口既可以作为单片机系统的地址/数据总线使用，也可以作为通用I/O接口使用。为此，在PO口的电路中有一个多路转接电路MUX。b、 P1口：P1口是唯一的单功能口，仅能作为通用I/O接口使用，所以在电路上与P0口有一些不同。首先它不需要多路

17、转换电路MUX；其次是电路内又上拉电阻，与场效应管共同组成输出驱动电路，c、 P2口：P2口结构与P0类似，也是一个双功能口，在结构上比P0电路少了一个输出转换控制部分，多路转接电路MUX由CPU命令控制，且P2口内部接有固定的上拉电阻。VccP1.0d、 P3口：P3口也是双功能口，其口的第二功能显得更为重要。因此，它既可作为通用I/O口使用，又具有第二功能，当工作于第二功能时，各位的定义就不同了。MCS-51P0.0P1.1P0.1P1.2P0.3P0.2P1.3P1.4P0.4P1.5P0.5P1.7P1.6P0.7P0.6RST/VpdEA/VPPP3.1/TxDP3.0/RxDpdP

18、SENALE/PROGP3.2/INT0P2.0P3.3/INT1P2.1P3.5/T1P3.4/T0P2.3P2.2P3.6/WRP2.4P3.7/RDP2.5XTAL2P2.6XTAL1P2.7Vss图2.3 MCS-51引脚排列第三章 系统的硬件电路设计第一节 电源电路一、电源电路的流程任何电子设备都需要稳定的直流电源供电，直流稳压电源是将交流电压转换成稳定的直流电压的设备。一般直流稳压电源是由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。交流变压器整流电路滤波电路稳压电路交流电源 负载图3.1 流程图二、电源电路的设计电源变压器的作用是，改变电网的交流电压的大小，将220V、50

19、Hz的市电进行降压，使变压器的副边输出的交流电压符合设计要求。然后利用二极管的单向导通性，将交流电压变换为单方向的脉冲直流电压，再利用电容储能元件组成的滤波电路，将脉动大的直流电压处理成平滑的脉动小的直流电压，即将整流电路输出的脉动直流电压中的交流成分滤掉，只留下比较平滑的直流电压，最后利用集成稳压器W7805，让电源电路的输出电压稳定为5V，以此作为系统各个部分电路的电源。图3.2 系统电源电路图第二节 单片机时钟和复位电路一、时钟电路的设计单片机芯片内部设有一个由反向放大器构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端，时钟可由内部或外部生成，在XTAL1和XTAL2引

20、脚上外接晶体振荡器Y，内部振荡电路就会产生自激振荡。系统采用的定时元件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振频率选择6MHZ，C1、C2的电容值取30pF，电容的大小起频率微调的作用。二、复位电路的设计单片机有多种复位电路，本系统采用自动复位（上电复位）与手动复位方式，电路如图3-3。当上电时，C3充电，电源经过电容器C3加到RESET引脚，使单片机复位；在正常工作时，按下复位键时单片机复位。图3.3 时钟电路和复位电路图第三节 A/D转换电路一、A/D转换电路的设计经传感器所检测的电压信号为模拟信号，无法直接被单片机所识别，所以在经过放大电路后对信号进行A/D装换，将模拟信号转化为数字信号

21、输入单片机。A/D转换电路采用了常用的8位8通道数模转换常用芯片ADC0809，烟雾、温度传感器的输出端分别接到ADC0809的IN0和IN1。 ADC0809的通道选择地址由MCS-51的P0.0P0.2经地址锁存器74LS373输出提供。当P2.7=0时，与写信号WR共同选通ADC0809。其中ALE信号与ST信号连在一起，在WR信号的前沿写入地址信号，在其后沿启动转换。图中ADC0809转换结束状态信号EOC接到MCS-51的INT1引脚，当A/D转换完成后，EOC变为高电平，表示转换结束，产生中断。在中断服务程序中，将转换好的数据送到指定的存储单元。由于ADC0809片内无时钟，故利用

22、8051提供的地址锁存使能信号ALE经D触发器二分频后获得时钟。因为ALE信号的频率是单片机时钟频率的1/6，如果时钟频率为6MHZ，则ALE信号的频率为1MHZ，经二分频后为500KHZ，与ADC0809的典型值吻合。二、A/D转换电路的电路图如下图所示MCS-51MCS-51图3.4 A/D电路转换图第四节 其他系统硬件电路一、声音报警及消音键电路电路通过三极管基极串连一个电阻与单片机P2.3端口连接从而达到控制蜂鸣器是否报警。报警装置采用电磁式无源蜂鸣器 HC-12075-B其参数特点如下：额定电压：1.5V额定电流：=10mA=75=85谐振频率：2048Hz线圈电阻：6.51602重

23、 量 ：1.5g系统设有一个消音按键，当报警器发出鸣叫时，用户到达现场，可按下消音按键停止报警器鸣叫。若过一点时间浓度仍超出报警限，报警器会再次鸣叫提醒用户。图3.5声音电路和消音电路二、字符显示电路报警器浓度等级显示采用一个八段共阳极数码管显示。由于不显示小数点，所以不接dp段。表3.1 浓度表数字 dp g f e d c b a编码0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1COHF9H表3.2 数码管参数电路采用型号为CPS08011BR的光普牌LED共阳极数码管。大 小 : 0.8寸 显示方式： 静态显示显示颜色： 红色显示位数： 1位 图3.6 数码管连接电路图三

24、、状态指示灯电路绿灯常亮表示正常状态，环境中可燃烟雾浓度极低；黄灯闪烁表示传感器连接故障或是线路接触不良；红灯闪烁表示环境中烟雾浓度超过报警最低预设值，提醒用户尽快做出相应安全防范措施。 图3.7 指示灯连接图四、报警器故障自诊电路(1)判断传感器电源连接情况 在传感器的地端串联一个电阻R16。当传感器正常连接时，电阻和传感器分压，此时电阻两端有微弱的电压，单片机可以通过IN2口检测到； 如果传感器电源连接不正常，则会产生断路，检测到电阻两端电压为0。(2)判断传感器信号端连接情况 另一种情况是判断传感器信号端是否连接正确，此时不需要外加电路，在传感器预热12分钟后，通过的IN1输入端口连接，

25、测量传感器信号的输出电压，如果电压为5V，则说明传感器的信号端连接不正常，此时系统发出警报。五、硬件的总体电路图图3.8 硬件总图我们首先要给传感器预热，因为QM-N5型半导体电阻式烟雾传感器在不通电存放一段时间后，再次通电时，传感器不能立即正常采集烟雾信息，需要一段时间预热。程序初始化结束后，系统进入监控状态。主程序设计先对传感器预热，预热同时，对传感器进行故障检测，采用软件方式检测传感器加热丝或电缆线是否断线或者接触不良。 同时，在整个报警器系统工作中，MCS-51单片机对传感器检测的烟雾浓度、温度高低等信号进行信号放大、A/D转换处理后，由单片机进行分析处理，判断系统是否启动声光报警。主

26、程序还包括LED八段式数码管浓度字符显示功能、消音按键功能、安全联动装置，中断子程序等，使报警器功能更加完善，给用户带来便利。第四章 系统的软件设计第一节 主程序设计与流程图一、主程序设计主程序初始化流程图如下所示。这部分实现的功能包括各种I/O输入输出状态的设定、寄存器初始化、中断使能等。首先设定定时器工作方式，然后开系统中断，以便响应中断定时，及时对气体浓度和温度进行采样。然后关闭蜂鸣器，开启绿灯，设置报警限初值。二、主程序设计的流程图图4.1 主程序图第二节 主程序初始化设计一、主程序初始化设计主程序初始化流程图的设计，这部分实现的功能包括各种I/O输入输出状态的设定、寄存器初始化、中断

27、使能等。首先设定定时器工作方式，然后开系统中断，以便响应中断定时，及时对气体浓度和温度进行采样。然后关闭蜂鸣器，开启绿灯，设置报警限初值。二、主程序初始化流程图图4.2 初始化程序第三节 其他程序设计一、滤波子程序在对气体浓度采样时，可能会遇到尖脉冲干扰的现象。干扰通常只影响个别采样点的数据，此数据与其他采样点的数据相差比较大。如果采用一般的平均值法，则干扰将“平均”到计算结果上去，故平均值法不易消除由于脉冲干扰而引起的烟雾浓度采样值的偏差。 为此，可采取去极值平均滤波法，先对N个采样数据进行比较，去掉其中的最大值和最小值，然后计算余下的N2个数据的算术平均值。这种方法既可滤去脉冲干扰又可滤去

28、小的随机 干扰。保证报警器检测烟雾浓度的准确性，减小误报、错报的可能。图4.3 滤波程序图二、报警程序当放大后的信号不为零时，即烟雾浓度达到系统的报警预设值，此时报警器发出一种近似警笛的鸣叫声，对应输出通道的红灯闪亮，换气扇自动运行，并且延时打开调节阀。为防止误报，在程序设计上，对烟雾浓度进行快速重复检测和延时报警，以区别出是管道中烟雾的泄漏，还是由于暂短打开阀门产生的可燃烟雾的微量散失，防止误报。图4.4 报警子程序三、按键输入程序本报警器设计附加一个消音功能按键。按键由于弹性作用的影响，在闭合及断开均有抖动过程，从而使电压也出现抖动，所以在识别按键时要消除抖动的影响。按键的识别方法采用扫描

29、法。图4.5 按键子程序结 论火灾报警器可保障生产与生活的安全，避免火灾和爆炸事故以及煤气中毒的发生，具有广阔的市场空间与发展前景。本论文是在对烟雾、温度传感器和报警技术进行深入研究的基础上，全面比较国内外同类产品的技术特点，合理地确定系统的设计方案，并对仪器的整体设计和各个组成部分进行了详细的分析和设计。本系统通过设计一个以MCS-51单片机为核心的火灾报警器可以实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警等功能。是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的火灾报警器，具有一定的实用价值。本报警器电路结构简单、可维护性好。由于实现了对普通环境中烟雾浓度和温度的实时监控，

30、因此具有非常普遍的意义，能广泛应用于居民家庭、企事业单位等多方面的安全防范。但是也存在不少的不足。由于电源的波动，传感器的电气特性等问题，使得A/D转换结果有时波动很大，这样就可能出现误报警。同时，该系统实现了烟雾浓度、温度显示及按键控制。串行通信接口可根据需要连接排风扇、浇水器等外设设备。当然，此系统不是很完善，还有待进一步改进。但通过这次设计，我更加深入的理解和掌握了这方面的知识，对本专业的认识也更加深入，使自己对本专业更加的热爱，对大学期间的学习做了进一步的总结，更加明确了自己学习的目标和方向。在设计过程中，自己也学到了许多新的知识，有很多感悟和体验心得。而且，对工程设计的流程和步骤有了

31、清晰的认识，为自己日后的学习和研究打下了坚实的基础。致 谢在完成本设计的写作过程中，我十分感谢我的指导老师田丰老师。田丰老师要指导很多同学的论文，加上本来就有教学任务，工作量之大可想而知，而我对于单片机来说，还是个懵懂者。所以，在设计的过程中，遇到很多的问题，都要劳烦老师讲解。从选题到完成设计，田丰老师一直都是很悉心的给我讲解着在设计中遇到的各种问题，循循善诱，严格把关，帮助我开拓设计思路，并不断地鼓舞着我，使我感到信心倍增，让我非常积极地投入到设计中，不断地完成设计中的一个个部分。在此，再次感谢田丰老师在设计上不断地给与我帮助，让我在大学里的最后一次的学习过程中，充分感受到了自己对学习的兴趣

32、和热情，使我能够圆满地完成自己的毕业设计。同时，在不断的接触中，田丰老师的朴实无华，平易近人的性格对我影响颇深。我再次对田丰老师表示感谢。最后，我还要感谢在我大学学习期间给我极大关心和支持的家人、各位老师以及我的同学和朋友。是你们在生活和学习上不断给与我支持、帮助和无微不至的关怀，是你们不断地给与了我信心，让我在人生中一次次坚强地走下去。特此感谢！通过本次设计，让我明白了很多。最重要的是一个人如果无法独立完成一件事情，那么，同学和朋友就是你的依靠。参考文献1李文方，单片机原理与应用.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，20102李娟，传感器与检测技术.北京：冶金工业出版社，20093李华，MCS-5

33、1系列单片机实用接口技术.北京：航空航天出版社，20004罗先觉、邱关源，电路.北京：高等教育出版社，20065何延治、杨海荣，火灾危险性评估在建筑防火设计中的应用.建筑设计管理,20066胡显华，火灾探测器误报警的原因及改进方法.电脑开发与应用,2007内部资料，请勿外传！6a*CZ7H$dq8KqqfHVZFedswSyXTy#&QA9wkxFyeQ!djs#XuyUP2kNXpRWXmA&UE9aQGn8xp$R#͑GxGjqv$UE9wEwZ#QcUE%&qYpEh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu#K

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